CO-AUTORES: Ing. Gastón García, Gie Group; Ing. Anibal Márquez, Gie Group.

Sinopsis

Las propiedades de resistencia a la tracción de los materiales metálicos, como la Tensión Última de Tracción (UTS) y Tensión de Fluencia (YS, Yield Strength), son las variables de mayor influencia a la hora de determinar las condiciones de operación a las que se pueden someter los equipos. Por diversos motivos, estos datos no siempre se encuentran disponibles.

Típicamente, estas propiedades se obtienen a partir de ensayos destructivos de muestras de material, lo que no siempre es viable. Como alternativa, se desarrolló un Indentador Instrumetado, el ESYS 10, basado en la tecnología de Indentación Instrumentada Automática (ABI), el cual permite estimar tanto la YS como la UTS mediante la realización de un Ensayo No Destructivo con el componente en servicio.

Existen evidencias de que los valores de carga y desplazamiento registrados en un ciclo de indentación se ven afectados por el estado tensional del componente. Esto genera la lógica pregunta de si el nivel de presión interna a la que está sometido un ducto o un recipiente a presión podría afectar los resultados del ensayo con ESYS 10.

Para responder esta cuestión entonces, se realizaron una serie de ensayos en un recipiente a distintos niveles de presión y un análisis estadístico de los resultados. Los resultados obtenidos permiten afirmar que los datos de tensión de fluencia y de rotura obtenidos con el ESYS 10 no dependen del estado tensional del componente a ensayar y que la dispersión de los resultados se encuentra dentro de las variaciones propias en el comportamiento de los materiales.

Introducción

Las propiedades de resistencia a la tracción de los materiales metálicos, como la Tensión Última de Tracción (UTS) y Tensión de Fluencia (YS, Yield Strength), son los parametros de mayor influencia a la hora de determinar las condiciones de operación de un equipo, , tales como presión interna o cargas externas. Por diversos motivos, estos datos no siempre se encuentran disponibles. Típicamente, estas propiedades se obtienen a partir de ensayos de tracción, que requieren extraer una muestra del material para realizar un ensayo destructivo, lo que no siempre es posible porque involucra la salida de servicio del equipo o componente, la interrupción de los procesos asociados, el lucro cesante generado y las operaciones necesarias para obtener la muestra y posterior reparacion. Esto es, por lo general, excesivamente costoso y otras, imposible de realizar, lo que obliga a adoptar estimaciones excesivamente conservativas en las evaluaciones de Integridad y Aptitud para el Servicio de los componentes.

Como alternativa, se ha desarrollado un Indentador Instrumetado, el ESYS 10, basado en la tecnología de Indentación Instrumentada Automática (ABI por sus siglas en inglés) el cual permite estimar tanto la YS como la UTS mediante la realización de un Ensayo No Destructivo que, generalmente, se puede efectuar con el componente en servicio[i , ii, iii ]

Fig. 1: Indentador Instrumentado ESYS 10, en funcionamiento desde 2011

La metodología consiste en la realizar una indentación en la superficie metálica mediante una punta esférica, similar a la de un ensayo de dureza Brinell, pero en múltiples ciclos de carga y descarga, y el registro simultáneo de los valores de carga y desplazamiento de la punta (Fig. 1) [iv ,v ].

Fig. 2: Registro de carga-desplazamiento durante los ciclos de carga y descarga del ensayo con ESYS 10

Como se dijo, la principal ventaja de esta tecnología es que permite realizar el ensayo en servicio, lo que implica que los componentes a ensayar se encuentran normalmente sometidos a distintas cargas, típicamente, presión interna. Existen evidencias de que los valores de carga y desplazamiento registrados en un ciclo de indentación se ven afectados por el estado tensional del componente [vi ,vii ], al punto que se han desarrollado técnicas para estimar tensiones residuales a partir de este ensayo [viii]. Esto genera la lógica pregunta de si el nivel de presión interna a la que está sometido un ducto o un recipiente a presión podría afectar los resultados del ensayo con ESYS 10 y, si así fuera, de qué modo (por exceso o por defecto), y en qué medida. Cabe destacar que los modelos analíticos analizados en los trabajos citados no son aplicables a nuestro caso debido a dos cuestiones fundamentales. Una, que la indentación se realiza en varios ciclos, cambiando las condiciones para el ciclo siguiente debido a la plastificación de la zona. Otra, que los datos que se utilizan en el algoritmo de carga provienen, en realidad, de los ciclos de descarga, y no de los ciclos de carga.

Para responder esta cuestión entonces, se decidió realizar una serie de ensayos en un recipiente a distintos niveles de presión y hacer un análisis estadístico de los resultados.

Desarrollo

Materiales y métodos

Sobre un recipiente metálico fabricado a partir de dos tubos de acero API 5L de 6,35 mm de espesor, y dos casquetes semielípticos  se realizaron indentaciones con ESYS10 a 7 (siete) valores distintos de presión, hasta llegar a la máxima admisible del recipiente (40 kg/cm²). Para cada valor de presión se realizaron entre 3 y 10 repeticiones. Se registraron los valores de YS y UTS en función de la presión interna del recipiente, la cual se midió mediante un manómetro calibrado, directamente conectado al mismo. El error estándar para cada nivel de presión se calculó utilizando el software estadístico Infostat. Sobre el material del recipiente, se realizaron 3 ensayos de tracción y se calculó la desviación estándar de la muestra y el error de la media de todos los ensayos realizados con ESYS 10 con respecto a la media de los ensayos de tracción (Tabla 1). En la Tabla 2 y en la Fig. 3 se muestran los resultados de los ensayos realizados con ESYS 10.

Tabla 1: Ensayos de tracción sobre el material del recipiente versus Resultados ESYS 10.

Tabla 2: resultados de los ensayos con Esys 10 sobre recipiente a distintos valores de presión interna

Fig. 3: Tensión de Fluencia y tensión de rotura medias para distintos valores de presión. Se indican barras de error estándar

Discusión de resultados

Los valores medidos son independientes del valor de presión interna. Además, el máximo error estándar es de 1,3% con respecto a la media, tanto para la tensión de fluencia (Yield Strength) como para la tensión de rotura (UTS). El error porcentual con respecto a los valores de los ensayos de tracción es del 6% tanto para la UTS como para la YS.

Para analizar si estos valores de error estándar son aceptables, los resultados obtenidos se compararon con los de más de 700 ensayos de tracción realizados sobre distintas bobinas de un acero HSLA S355 MC, provenientes de un mismo laminador en caliente [ix]. En la Fig. 4 a) se muestra la correlación entre tensión de fluencia y rotura. Los investigadores reportaron una desviación estándar de 4,38% para fluencia y 2,32% para rotura, lo cual se indica con colores sobre la gráfica. En la Fig. 4 b) se muestra, comparativamente, una gráfica equivalente con los resultados de los ensayos realizados con ESYS 10. También se señalan los valores ±2,32% para la YS y ±4,38% para UTS.

Conclusiones

Los ensayos realizados no sólo permiten afirmar que los resultados de la técnica (tensión de fluencia y tensión de rotura) no dependen del estado tensional del componente a ensayar, sino que demuestra, además, que la dispersión de los resultados arrojados por la técnica se encuentra dentro de las variaciones propias en el comportamiento de los materiales.

Referencias

[i] J. L. Otegui et. Al, “Desarrollo nacional para la caracterización mecánica no destructiva de componentes metálicos en servicio”, VIII Congreso Regional de ENDE Campana – Agosto 2011

[ii] J. Villca et Al., “Determinación del error del ensayo no-destructivo mediante ESYS 10 en la estimación de la tensión de rotura y fluencia de aceros”, IX Congreso Rregional de Ensayos No Destructivos y Estructurales (CORENDE y Jornadas de Soldadura), 2013.

[iii] M. González et. Al., “ MEJORA DEL OPEX: DETERMINACIÓN EN CAMPO DE PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES MEDIANTE INDENTACION INSTRUMENTADA”, 3° Congreso de Integridad en Instalaciones en el Upstream y Downstream de Petróleo y Gas, IAPG, Mayo 2017, Buenos Aires.

[iv] F.M. Haggag and K.L. Murty, «A Novel Stress-Strain Microprobe for Nondestructive Evaluation of Mechanical Properties of Materials,» Nondestructive Evaluation (NDE) and Materials Properties Ill, ed. P.K. Liaw et al. (Warrendale, PA: TMS, 1997), pp. 101-106.

[v] F. Haggag, Nanstad, R. K., Hutton, J. T., Thomas, D. L., and Swain, R. L., “Use of Automated Ball Indentation Testing to Measure Flow Properties and Estimate Fracture Toughness in Metallic Materials”. Applications of Automation Technology to Fatigue and Fracture Testing, ASTM 1092, A. A. Braun, N. E. Ashbaugh, and F. M. Smith, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990, pp. 188-208. (1990)

[vi] T. Y. Tsui, “Influences of stress on the measurement of mechanical properties using nanoindentation: Part I. Experimental studies in an aluminum alloy”, J. Mater. Res., Vol. 11, No. 3, Mar 1996,  https://doi.org/10.1557/JMR.1996.0091

[vii] N. Huber et Al., “On the effect of a general residual stress state on indentation and hardness testing”, Acta Materialia 56 (2008) 6205–6213, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2008.08.029

[viii] J. G. Swadener, “Measurement of residual stress by load and depth sensing indentation with spherical indenters” J. Mater. Res., Vol. 16, No. 7, Jul 2001, https://doi.org/10.1557/JMR.2001.0286

[ix] G.W. Bright et Al, “Variability in the mechanical properties and processing conditions of a High Strength Low Alloy Steel, Procedia Engineering , Vol 10, 2011, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.04.020